先导式压力调节器的制作方法

先导式压力调节器


背景技术：

1.压力调节器可用于控制流体的下游压力。天然气市场中的设施通常采用压力调节器来管理高压燃料气体通过管线的流量。然而，这些应用可能带来重大的设计挑战，因为操作者需要装置具有适当的容量、准确度和响应时间，而且还使可能由入口压力的变化、下游需求的快速变化或温度对内部部件的影响引起的控制变化最小化。


技术实现要素：

2.本公开的主题涉及对解决这些挑战的压力调节器的改进。特别要关注的是具有将双路控制与单个装置上的平衡阀内件组件集成在一起的设计的实施方案。这些实施方案可具有响应于下游需求的变化而打开和关闭的弹簧操作阀。标称地，阀具有“平衡”位置，该位置在装置的上游侧和下游侧上均保持相等的压力。阀从该位置打开以允许流体流过装置，从而将下游压力保持在相对恒定的水平(通常响应于下游需求的增加)。阀随着需求减少而移动以减少流量，通常最终再次到达其平衡位置。在一些应用中，阀可具有完全“关闭”位置，该位置完全防止流体流动。该提议的设计允许响应于需求的更好、更准确的下游压力。它还增加了压力调节器的操作压力以适应入口压力为至少1500psi的应用。
附图说明
3.现在简要参考附图，其中：
4.图1示出了压力调节器的示例性实施方案的示意图；
5.图2示出了图1的压力调节器的示例性结构的透视图；
6.图3示出了图2的压力调节器的横截面的正视图；
7.图4示出了部分分解形式的图2的压力调节器的透视图；
8.图5示出了部分分解形式的图2的压力调节器的透视图；
9.图6示出了图2的压力调节器的透视图；
10.图7示出了图2的歧管的示例的透视图；
11.图8示意性地示出了处于第一位置的图6的压力调节器的横截面的正视图；
12.图9示意性地示出了处于第二位置的图6的压力调节器的横截面的正视图；
13.图10示出了结合有本文所述类型的压力调节器的工作监视器系统的透视图；
14.图11示意性地示出了图10的系统的横截面的正视图，其中压力调节器处于第一位置；并且
15.图12示意性地示出了图10的系统的横截面的正视图，其中压力调节器处于第二位置。
16.在适用的情况下，在所有若干视图中，类似的附图标记表示相同或对应的部件和单元，除非另有说明，否则这些视图不按比例绘制。本文所公开的实施方案可包括出现在若干视图中的一个或多个视图中或出现在若干视图的组合中的元件。此外，方法仅是示例性的，并且可通过例如重新排序、添加、删除和/或改变各个阶段来修改。
具体实施方式
17.制造商经常利用机会来改进工业装备的构型。这些机会可带来更好、更可靠的装置或在其上提供新的功能或特征。在许多情况下，这些改进也可带来创新解决方案，该创新解决方案以较低成本的部件、劳动力和组装或维护和修理的形式实现节省。
18.如上所述，压力调节器在流体输送系统中起重要作用。这些装置准确地将流动流体保持在特定的所需压力下。对于许多工业应用，压力调节器必须采用特别稳固或坚固的设计来承受高压、苛刻环境，或者简单地提供可靠、持久的操作。这些设计可能需要根据规范制造或构建起来特别昂贵或耗时的构型(例如，材料、紧固技术等)。
19.下面的讨论描述了压力调节器的各种实施方案。与已知装置相比，本文的压力调节器结合了装载系统，该装载系统提供主阀连同主阀中的平衡塞的双路控制。该构型允许装置部署在具有高入口压力的应用中，但具有高度准确控制和对下游需求变化的响应的有益效果。作为附加有益效果，所提出的设计将一些构型布置为模块化部件或子组件。这种模块化方法简化了修理和维护。它还允许操作者针对特定的控制方案定制装置。该模块化设计的部件也与其它类型的流量控制装置如控制阀兼容。其他实施方案和配置在本文主题的范围内。
20.图1示出了压力调节器100的示例性实施方案的示意图。该实施方案被示出为通常由数字102标识的气体分配系统的一部分。系统102可包含承载材料106的管道104。还如图所示，压力调节器100可包含具有平衡阀内件110和致动器112的流量控制器108。控制系统114可与致动器112联接。控制系统114可包含具有引导单元118的流体回路116，该引导单元控制材料106向致动器112的有限流量馈送。
21.广义地讲，压力调节器100可被配置成用于具有高入口压力的应用中。这些配置可以集成先导阀，以使“感测压力”(或下游压力)在致动器和先导阀两者处配准。这种布置可证明可用于装置下游的更好且高度准确的压力控制。此外，该装置结合了平衡压力塞，该平衡压力塞在宽泛的压差范围内提供不透气泡的关闭。
22.气体分配系统102可被配置用于材料运输到工业站点或较大网络的一部分。这些配置可用于处理或分配烃的设施，如天然气或“燃料气体”。市和公用设施可部署复杂的网络以向消费者(包含住宅和商业燃料气体客户)递送资源。所有这些网络可包含用于调节流量的多种装置，包含压力调节器100。这些装置可与管道104串联安装，该管道可体现为能够承载高压流体的高容量管道。然而，除了流体(例如，液体和气体)之外，材料106也可包含固体和固体/流体混合物。
23.流量控制器108可被配置成调节燃料气体106通过压力调节器100的流量。这些配置可体现为响应于跨其入口和出口的压差而操作的阀。该特征使燃料气体106的流量与例如网络102上的需求相匹配。如上所述，阀可具有各种操作位置或条件以管理流量。一个位置可保持横跨装置的上游或“供给”侧和下游或“需求”侧的压力平衡。该位置可响应于下游需求的变化而改变。下游需求的增加例如可降低下游压力并使阀移动到允许更多流体流动的位置。由此产生的流量满足下游需求。当压力平衡时，阀可移回到其先前的“平衡”位置。在一个具体实施中，阀可采用失效关闭设计，该失效关闭设计使得阀响应于控制装置上或网络102中的压力损失、机械故障或其他问题而默认为“完全关闭”位置。该位置完全防止气体流过装置。
24.平衡阀内件110可被配置成适应阀的上游侧上的较高入口压力。这些配置可包含相对于支座移动(以实例化上述阀的可变位置)的塞(或闭合构件)。对于“平衡”阀内件设计，流体力在平衡时平衡在塞的任一侧上。为此，塞可结合开口或类似的设计特征。开口可将流体从塞的上游侧排出到压力调节器100处于塞的相对侧“上方”或上面的腔室中。
25.致动器112可被配置成调节塞相对于支座的位置。这些配置可体现可在塞上施加负载的装置(或机械元件)。机械装置的示例可包含对压力变化敏感的隔膜。弹簧可用于提供补充隔膜的弹簧力。对于失效关闭装置，弹簧力会将塞引导至其完全关闭位置。
26.控制系统114可被配置为将增益应用于系统。这些配置可体现为使下游压力的小变化倍增到例如隔膜处的较大变化的装置。这些装置改善响应时间并响应于下游需求的变化提供阀位置的稳定、准确的控制。
27.流体回路116可被配置成在控制系统114的部件之间引导燃料气体106。这些配置可利用导管(或管道或管材)的本地网络。导管可从存在于压力调节器100的上游侧和下游侧两者上的管道104上的位置或抽头延伸。这些抽头允许燃料气体106进入导管中。燃料气体106将本地网络传送到致动器112并通过控制系统114。
28.引导单元118可被配置成调节对致动器112的压力。这些配置可体现为具有容纳阀(或“先导阀”)的歧管的装置(或“先导件”)。对于双路控制，导管可将先导阀与致动器112联接，以便实现增强塞对下游需求变化的响应(或塞响应而相对于支座的移动)的增益。歧管可具有内部流动路径，该内部流动路径将多个先导阀放置成彼此流动连接以允许燃料气体106在它们之间流动。先导阀可根据需要采用用于固定压差或可变压差的设计。该设计可允许任何数量的先导阀(和其他装置，如止回阀或孔口)结合到压力调节器100上的单个单元中。在一个具体实施中，歧管具有模块化设计，该模块化设计具有配合或附接在一起的各种部件。该布置可适应固定和可变先导阀的组合，以匹配压力调节器100的任何提出的应用或允许最终使用者根据需要有效地调谐压力调节器100的性能。
29.图2示出了图1的压力调节器100的一个示例的透视图。为了清楚起见，在该示例中未示出包含实例化控制系统114的部件的部件。该装置可具有稳固设计的外壳120，该外壳通常由浇铸或机加工金属制成，以使该装置与高压以及苛性、苛刻性或腐蚀性材料(如燃料气体106)相容。外壳120可具有若干部件或构件，此处示出为包含一对圆筒构件(例如，上部圆筒构件122和下部圆筒构件124)和接头构件126。外壳构件122、124、126可在周边外凸缘128处彼此配合。孔130可填充这些部件中的一个或多个部件的外部。孔130中的一些孔可作为具有螺纹开口的端口132操作以容纳流体配件，如下文更详细地指出。其他孔可作为接纳例如引导单元118的部件的安装区域136中的螺纹孔134操作。在一个具体实施中，外壳120可包含阀主体138，该阀主体容纳上文在图1中所述的平衡阀内件110。阀主体138可在内部通道142的任一端具有开口140。凸缘144(或对接焊接端部)可允许阀主体138与管道104的区段串联安装。在一个示例中，阀主体138可包含端口146，该端口还可具有螺纹开口以接纳流体配件。
30.图3示出了在图2的线3
‑
3处截取的压力调节器100的横截面的正视图。圆筒构件122、124可形成包封致动器112的部件的内部腔室148。这些部件可包含隔膜10，优选地为包含金属、橡胶或复合材料的柔性材料的环形盘。环形盘10可被布置成其外部周边部分“夹”在圆筒构件122、124的周边外凸缘128之间。这种布置将内部腔室148分成两个腔室(例如，
第一腔室150和第二腔室152)。外壳构件122、124中的端口132可形成延伸到腔室150、152中的每个腔室的流动通道。致动器112的附加部件可包含驻留在环形盘10的任一侧上的支撑板12、14。压缩弹簧16可驻留在第一或“上部”腔室150中以向上部支撑板12施加力。在第二或“下部”腔室152中，密封包18可插入圆筒构件124中的开口154中。密封包18可具有环形主体20，该环形主体具有外密封件22，如驻留在沟槽中的o形环。环形主体20还可具有居中定位的通孔以接纳内密封件(例如，第一内密封件24和第二内密封件26)和衬套28。板30可驻留在环形主体20的顶部。紧固件f1可穿透环形主体20和板30进入圆筒构件124中。另外的密封件32、34可用于密封圆筒构件124与接头126之间的任何间隙以及接头126与阀主体138之间的接合部。也如图所示，该装置可包含阀杆36，该阀杆可轴向移动穿过密封件24、26和衬套28。该移动可由压力调节器100下游的需求变化引起。阀杆36的一端可与隔膜10联接。指示器38可例如使用磁体与该端部联接(尽管其他紧固技术也是容易接受的)。指示器38可穿透上部圆筒构件122进入指示器外壳40中，该指示器外壳与上部圆筒构件形成密封。
31.阀杆36的另一端可与平衡阀内件110的其他部件一起驻留在阀主体138中。这些部件可驻留在腔室156中。在一个具体实施中，平衡阀内件可包含保持架42，在此示出为具有周向设置在其周壁中的开口46的中空圆筒44。塞48可驻留在保持架42中。如本文所述，塞48可被配置用于入口压力以在任一侧上平衡。这些配置可利用例如具有延伸到第二塞构件52中的细长部分的第一塞构件50的分叉设计。细长部分可接纳阀杆36的端部。塞构件50、52中的开口54可允许压力在分叉塞48上平衡。环形密封件56可驻留在围绕第二塞构件52的外部的周边凹槽中。环形密封件56的示例可利用橡胶环(如果需要，具有塑料支撑环)。橡胶环56可接触圆筒44上的周壁的内表面。该布置产生围绕该内表面(和第二塞构件52的外表面)的圆周密封件。在一个具体实施中，塞48可结合驻留在塞构件50、52之间的密封垫58，如或腈环。密封垫58的一部分可与支座60接合以实现塞48的完全“关闭”位置。
32.图4和图5以部分分解形式示出了图2的压力调节器100。紧固件f2可将接头构件126固定到阀主体138上。紧固件f3可将圆筒构件122、124固定在一起以形成“致动器圆筒”158。紧固件f4可穿过圆筒构件122、124中的每个圆筒构件插入，从而将致动器圆筒158固定至接头构件126。值得注意的是，该布置形成模块化结构，该模块化结构允许最终使用者在压力调节器100在管道104上的其安装或“串联”位置中执行维护和修理。在图4中，最终使用者可移除紧固件f4以使致动器圆筒158与接头构件126脱离。最终使用者可将致动器圆筒158提离接头126。该动作还将平衡阀内件110的部件(即，整体上的塞48)从阀主体138移除。如图5中最佳地示出，最终使用者可移除紧固件f3、f4以使上部圆筒构件122与下部圆筒构件124脱离。最终使用者可将上部圆筒构件122提离下部圆筒构件124以进入由圆筒构件122、124形成的内部腔室148。该特征可允许最终使用者在不干扰其他部件(包含密封件32、34(图3)或平衡阀内件110(图3))的情况下维修隔膜10。在一个具体实施中，最终使用者还可以移除隔膜10以接近(并替换)密封包18(图3)。
33.图6示出了图3的压力调节器100的一个示例的透视图。已将部件添加到每个部件中以继续讨论所提出的设计的某些特征和功能。例如，金属管材形式的导管160可在流体配件162之间延伸，以完成压力调节器100的部件之间的流体连接，以及在这些部件与管道104上位于压力调节器100上游和下游的位置之间的流体连接。在一些具体实施中，过滤器f
l
也可安装到流体回路114中。引导单元118可包含接合块164以将歧管166固定到接头构件126
(在安装区域136处)。歧管166可体现为一对带端口的块(例如，第一带端口的块168和第二带端口的块170)。如上所述，歧管166的构型可允许改变引导单元118以扩展功能。例如，块168、170可以彼此分开以向歧管166添加部件，该部件使压力调节器100适用于特定应用，例如，作为工作监视器排布结构的一部分等等。
34.图7描绘了引导单元118的示例的透视图以示出该概念。在该示例中，歧管166包括第三带端口的块172。带端口的块168、170、172的示例可体现为歧管166的单独元件，例如机加工的金属坯料，如铝、钢或钢合金。坯料可以包含开口174，其可以体现为间隙或螺纹孔。孔174可容纳紧固件f5以将带端口的块168、170、172固定在一起。这种布置有利于歧管166的模块化设计。还如图所示，带端口的块168、170、172可具有外部进入端口176，该外部进入端口提供螺纹开口以接纳配件162(图6)。
35.图8示意性地示出了在图6的线8
‑
8处截取的压力调节器100的横截面的正视图。导管160可包含将歧管166与入口或供给侧p1联接的供给管线sup1。感测管线s1和s2可将致动器圆筒158的上部腔室150分别与出口或需求侧p2以及与歧管166联接。负载管线l1可将歧管166与致动器圆筒158的下部腔室152联接。还如图所示，带端口的块168、170可具有内部流动网络178，通常为机加工孔(或类似特征)，该内部流动网络允许流体在允许技术人员更准确地调谐压力调节器100的设定值的各种流量控制器之间流动。流量控制器的示例包含可调式孔口180和止回阀182。可调式孔口180或“限流器”可在其外表面上具有v形凹槽。螺纹塞184可用于密封进入端口176中的一个或多个进入端口。在一个具体实施中，流量控制器还可包含一对先导阀(例如，第一先导阀186和第二先导阀188)。第一先导阀186可以具有固定的压差。第二先导阀188可被配置成(例如，具有旋钮)调节装置两端的压差。最终使用者可通过调节可变引导装置188或旋转可调节孔口180来调谐引导单元118的操作，以改变v形凹槽相对于第二带端口块170中的内部流动路径178的径向取向。第一先导阀186的固定压差的值可以适应第二先导阀188的设计参数；示例性值可在50psi至100psi的范围内。
36.限流器180可被配置成与第二或“主”先导阀188结合工作以限定下部腔室152中的压力。在一个具体实施中，主先导阀188可具有尺寸响应于下游压力的变化而增大和减小的内部孔口。该孔口响应于低于压力调节器188的设定值的下游压力而扩大。当孔口变得大于限流器188的孔口时，与通过限流器188和下游(通过上部腔室150)相比，更多的气体流入下部腔室152中。孔口响应于高于设定值的下游压力而收缩，使得当其小于限流器100的孔口时，较少的气体将流向下部腔室152(与通过下游相比)。最终使用者可调整限流器188的孔口的尺寸以管理该内部孔口和限流器188的孔口之间的关系，并且转而调谐压力调节器100的响应准确度和速度。
37.止回阀182可被配置成限制跨隔膜10的压差。这些配置可证明可用于防止可由背压或相关用例引起的损坏(对隔膜10)。背压可在启动时发生，因为如果下游压力快速上升，则气体可流动到上部腔室150中的速度快于其通过限流器180排放的速度。这种不平衡在上部腔室150中形成压力。止回阀182可响应于高于破裂压力的下游压力而打开，以允许更多的气体传递到下部腔室152，从而允许压力在隔膜10上平衡。
38.图8的图示出了处于第一位置的压力调节器100。该位置与供给侧p1上的燃料气体106的压力一致，该供给侧与需求侧p2上的燃料气体106的压力平衡(或相平衡)。隔膜10(和弹簧16)施加弹簧力，该弹簧力保持平衡塞50、52的位置。如本文所述，虽然塞50、52被示出
为与支座60接触，但并不总是这种情况。供给侧压力p1作用于平衡塞50、52的每一侧，并且同时作用于先导阀186、188的一侧。需求侧压力p2通过感测管线s1作用于腔室150、152，并且通过负载管线l1和感测管线s2作用于先导阀186、188的相对侧。
39.图9还示意性地示出了在图6的线8
‑
8处截取的压力调节器100的横截面的正视图。该图示出了处于第二位置的压力调节器100。该位置反映需求侧压力p2的变化。该变化通常对应于增加的需求，这可将较低的侧压力p2快速降低至低于供给侧压力p1。响应于所感测的压差(dp
1,2
)，第一先导阀186操作以将第二先导阀188处的供给侧压力p1减小或“逐步降低”到较低的中间压力p3。第二先导阀188响应于中间压力p3而打开以将下部腔室152中的压力增加或“逐步升高”到装载压力p4，该装载压力足够高以克服弹簧力并将平衡塞50、52从其第一位置移动(在图8中)。平衡塞50、52的新位置允许燃料气体106通过保持架44中的开口46以满足下游需求。在一个具体实施中，平衡塞50、52可返回到第一位置，因为压力在供给侧压力p1和需求侧压力p2之间平衡。
40.图10示出了关于上述压力调节器100所讨论的类型的一对流量控制器的透视图。这些流量控制器形成“工作监视器”设置，其中第一或“第一级”调节器a和第二或“第二级”调节器b在管道104上串联。在第一级调节器a上，歧管162包含带端口的块164、166、168以容纳第三先导阀190，该第三先导阀优选地被配置成改变装置两端的压差。
41.图11示意性地示出了在图10的线11
‑
11处截取的压力调节器a、b的横截面的正视图。该图将先导阀标识为第一级调节器a上的先导件1和先导件2以及第二级调节器b上的先导件3。导管174可包含供给管线sup2，该供给管线将第二级调节器b上的歧管162联接到管道104的在压力调节器a、b之间延伸的中间区段。感测管线s3和s4也可以将第一级调节器a上的上部腔室150与管道104的中间区段联接。负载管线l2可将歧管162与第一级调节器上的下部腔室152联接。同样如图所示，感测管线s5将第三带端口的块168与需求侧p2联接以监测第二级调节器b。
42.图11的图示出了处于第一位置的压力调节器a、b。隔膜10(和弹簧18)在两个压力调节器a、b上施加保持平衡塞50、52的位置的弹簧力，这可导致或可不导致塞50、52接触支座60。该位置可反映供给侧p1上的燃料气体106的压力与需求侧p2上的燃料气体106的压力平衡(或相平衡)的条件。然而，当完全关闭时，上游压力和下游压力可不同，但将不存在通过装置中的一者或两者的流动。在图中从左到右移动，供给侧压力p1作用于平衡塞50、52的每一侧，并且同时作用于第一级调节器a上的固定先导件186和先导件1的一侧。装载压力p4通过感测管线s3作用于腔室150、152，并且通过感测管线s4和负载管线l2作用于固定先导件186以及先导件1和先导件2的相对侧。下游压力p2通过感测管线s5作用于先导件2。在第二级调节器b上，装载压力p4通过供给管线sup2作用于平衡塞50、52的两侧，并且作用于固定先导件186和先导件3的一侧。需求侧压力p2通过感测管线s1作用于腔室150、152，并且通过负载管线l1和感测管线s2作用于先导阀178和先导件3的相对侧。
43.图12还示意性地示出了在图10的线11
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11处截取的压力调节器100的横截面的正视图。该图示出了反映需求侧压力p2的变化的处于第二位置的压力调节器a、b。在该图中再次从左到右移动，第一级调节器a上的固定先导件186操作以将供给侧压力p1减小到较低的中间压力p3。先导件1和先导件2响应于中间压力p3而操作以将上部腔室150中的压力逐步降低到小于装载压力p4的级间压力p5，从而使塞50、52从其第一位置移动(在图11中)。响应于
所感测的压差(dp
2,5
)，第二级调节器b上的固定先导阀186将先导件3处的级间压力p5逐步降低到较低的中间压力p3。先导件3响应于中间压力p3而打开以将下部腔室152中的压力增加或“逐步升高”到装载压力p4，该装载压力足够高以克服弹簧力并将平衡塞50、52从其第一位置移动(在图11中)。平衡塞50、52的新位置允许燃料气体106通过圆筒44中的开口46以满足下游需求。在一个具体实施中，压力调节器a、b上的平衡塞50、52可返回到第一位置，因为压力在供给侧压力p1和需求侧压力p2之间平衡。
44.该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包含制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。以单数形式叙述并以词语“一”或“一个”开头的元件或功能应理解为不排除多个所述元件或功能，除非明确叙述这种排除。对受权利要求书保护的本发明的“一个实施方案”的引用不应理解为排除也结合所述特征的其他实施方案的存在。此外，权利要求书仅是限定本发明的可取得专利的范围的一些示例。该范围可包括并设想本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求的字面语言无差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。
45.下文出现的示例包括某些元件或条款，这些元件或条款中的一个或多个元件或条款可与其他元件和条款组合，描述了在本公开的范围和实质内设想的实施方案。